Tangki Penyimpanan Cairan Kriogenik Dan Sistem Transport Cairan Kriogenik
Tangki penyimpanan untuk cairan kriogenik mempunyai dua bagian, yaitu tangki bagian dalam yang digunakan sebagai tangki untuk menampung produk dan tangki bagian luar sebagai pembatas antara kondisi ambient dengan tangki bagian dalam. Bagian antara tangki dalam dan tangki luar yang biasa disebut annulus merupakan bagian yang diisi oleh lapisan pemantul dan lapisan penyekat serta tekanan divakum. Lapisan pemantul dan penyekat serat pemvakuman bagian annulus bertujuan untuk menghalangi dan menghambat terjadinya penyerapan panas dari udara luar oleh tangki dalam yang jauh lebih dingin. Bagian pemantul berguna untuk mengurangi perpindahan radiasi, lapisan penyekat berfungsi untuk mengurangi perpindahan panas konduksi dan pemvakuman berfungsi untuk mengurangi panas konveksi. Tangki menurut bentuknya ada dua jenis, yaitu horisontal dan vertikal. Tangki horisontal mempunyai bentuk yang memanjang sehingga beban yang dialami oleh tangki hanya berasal dari beban produk dan berat tangki itu sendiri, sehingga jika ada guncangan akan relatif stabil. Sedangkan tangki vertikal, beban yang dialaminya berasal dari berat produk, berat tangki, terpaan angin dan gempa bumi, namun tangki vertikal bisa menghemat lahan.
Selain itu pipa pembuangan uap harus disediakan untuk membuang uap dari cairan kriogenik yang dihasilkan karena adanya panas yang masuk ke tangki dalam. Selain itu ada pipa untuk mengisi atau mengosongkan tangki dalam. Pengosongan atau pemindahan cairan di dalam tangki bisa dilakukan dengan cara pressurization atau dengan menggunakan pompa. Tangki dalam dihubungkan dengan batang suspensi, sehingga posisi tangki dalam menggantung terhadap tangki luar. Untuk memperkuat dinding tangki, baik bagian dalam maupun bagian luar, biasa digunakan cincin penguat yang melingkar di bagian dalam atau bagian luar tangki. Tangki dengan tanah tidak berhubungan langsung tetapi disangga oleh penyangga.
Dalam perancangan tangki dalam biasanya dirancang untuk tidak diisi penuh 100 %, tapi hanya diisi kurang lebih 90 %. Karena selalu ada panas yang masuk ke tangki sehingga tekanan tangki dalam akan meningkat akibat dari adanya cairan kriogenik yang terevaporasi. Tekanan tangki tersebut dapat meningkat dengan cepat apabila tidak ada ruang yang kosong dalam tangki bagian dalam. Bentuk tangki dapat berupa cylindrical, spherical, conical atau kombinasi dari ketiga bentuk tersebut. Pada umumnya bentuk yang paling ekonomis karena paling mudah dibuat adalah tangki berbentuk silinder dengan head berbentuk eliptical atau hemispherical. Sedangkan tangki spherical memiliki konfigurasi yang paling efisien jika dilihat dari jumlah panas yang masuk ke dalam tangki.
7.1 PERANCANGAN TANGKI DALAM
Ketebalan dinding tangki bagian dalam harus mampu menopang beban cairan kriogenik, tahan terhadap tekanan operasi dan adanya gaya tekuk (bending force). Untuk tangki dalam ini khusus untuk cairan kriogenik harus mempunyai material yang cocok dengan kondisi kriogenik. Bahan-bahan yang biasa yang digunakan adalah stainless steel, aluminum, monel dan sebagian tembaga. Material ini harganya relatif lebih mahal dibandingkan carbon steel yang biasa digunakan untuk tangki pada umumnya. Sehingga seorang perancang harus bisa menentukan ketebalan tangki yang optimal sehingga bisa menghemat anggaran. Untuk itu tangki bagian dalam ini dirancang untuk tahan terhadap gaya tekuk dan tekanan di dalam tangki. Ketebalan minimun dari tangki silinder ditentukan oleh persamaan:
(7.1)
dengan ti = ketebalan tangki dalam
p = tekanan dalam tangki
D = diameter tangki dalam
sa = tekanan yang diperbolehkan
cw = efisiensi pengelasan
Nilai-nilai untuk tegangan yang diperbolehkan untuk beberapa material yang digunakan untuk tangki kriogenik bisa dilihat pada Tabel 1, sedangkan untuk nilai efisiensi pengelasan dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 7.1 Tegangan maksimum yang diperbolehkan pada suhu kamar
Material Spesifikasi material Minimum tensile strength (MPa) Maximum allowable stress (MPa)
Carbon Steel SA-30 firebox A 379 95
SA-120 grade A 276 69
SA-120 grade C 95 95
SA-299 517 129
Low alloy Steel SA-202 grade B 586 147
SA-353 grade B (9% Ni) 655 164
SA-410 414 103
Aluminium SB-209 (11000-0) 76 16
Copper SB-11 207 46
Stainless Steel SA-240 (304) 517 129
SA-240 (304L) 48 121
SA-240 (316) 517 198
SA-240 (410) 448 112
Monel SB-127 483 121
Tabel 7.2 Efisiensi pengelasan
Tipe sambungan Radiograpi penuh Pemeriksaan spot Pemeriksaan non spot
Sambungan butt dengan tekanan penuh 1.00 0.85 0.7
Single welded butt joint with backing strip 0.9 0.8 0.65
Single welded butt joint without backing strip 0.6
Double full fillet lap joint 0.65
Jika diameter tangki luar yang diketahui, maka :
(7.2)
Dimana Do = diameter luar dari shell
Ketebalan dari eliptical dan hemispherical head dapat dihitung dengan persamaan :
(7.3)
(7.4)
dimana:
D = inside diameter spherical atau inside major diameter elliptical
Dc = outside diameter spherical atau outside major diameter elliptical
K = konstanta = 1/6 {2 + (D/D1)2} (7.5)
Untuk torispherical head maka persamaan 7.3 dan 7.4 dapat digunakan jika D=2 (crown radius) dan K = 0.885.
Cincin penguat tangki dalam berfungsi untuk mendukung berat cairan dalam tangki seperti digambarkan pada Gambar 7.1. Momen tekuk dapat dipecahkan dengan teori energi elastik.
1. Untuk
2M / WR = 0.5 cos + sin - (-) sin + cos + cos sin2 (7.6)
2. Untuk
2M / WR = 0.5 cos - ( - ) sin + + cos + cos sin2 (7.7)
dengan: M = momen tekuk pada lokasi
W = berat cairan yang disangga oleh cincin penguat
R = rata-rata jari-jari cincin
= sudut penyangga
Untuk kurang dari 70, momen tekuk maksimal terjadi pada titik penyangga dengan = , sehingga momen tekuk menjadi
2M / WR = (1.5 +sin2) cos - ( - ) sin (7.8)
Fungsi ini diplot pada Gambar 7.2. Untuk sudut penyangga lebih besar dari 70, momen tekuk maksimal harus menggunakan persamaan 7.6 dan 7.7. Setelah momen tekuk maksimum dari cincin penguat ditentukan, ukuran cincin penguat kemudian dapat ditentukan dari persamaan beban tekuk:
Z = Mmax / sa (7.9)
dengan Z adalah bagian modulus untuk luas cincin antara poros sejajar terhadap poros cincin.
Gambar 7.1 Beban dalam cincin penguat
Gambar 7.2 Kurva momen tekuk untuk cincin penguat tangki dalam
Contoh 7.1
Rancanglah ineer shell dan stiffening rings (cincin penguat) yang akan digunakan untuk menyimpan 28,000 gal oksigen cair. Tangki akan diangkut dengan kereta, sehingga diameter maksimum kontainer sebesar 13 ft karena adanya jembatan, dan sebagainya selama perjalanan. Tangki menggunakan 12 inch perlit sebagai insulasi, sehingga diameter inner shell harus 24 inch lebih kecil dari diameter outer shell. Bentuk head dari inner dan outer shell adalah hemispherical. Tekanan internal sebesar 100 psig dan 10 % ullage volume (ruang kosong di atas cairan). = 80. Material yang digunakan adalah 304 stainless steel.
Jawab:
V = 28,000 + (28,000 x 10 %) = 30,800 gal = 4120 ft3
Misalkan kita memilih diameter dalam untuk inner shell adalh D = 10 ft
V = ¼ D2L + ½ D2 = 78.5 L + 524 = 4120 ft3
Sehingga panjang shell, L = 45.8 ft
Ketebalan shell minimum dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 7.1. Dari Tabel 7.1 didapatkan allowable stress untuk jenis material yang digunakan sebesar 18,750 psi dan efisiensi pengelasan, cw= 100 %.
T = (115 x 120) / {2 x (18,750 – 69)} = 0.369 in
Sehingga kita akan memilih besar ketebalan = 7/16 in (0.437 in) dengan mempertimbangkan toleransi ketebalan sebesar 12.5 %.
Ketebalan head minimum dapat digunakan dengan menggunakan persamaan 7.3, dimana besarnya K adalah :
K = 1/6 x (2+1) =0.5
th = 0.1841 in
Dengan mempertimbangkan toleransi ketebalan 12.5 %, maka digunakan ketebalan head sebesar ¼ in (0.25 in).
Berat dari 28,000 gal oksigen cair (9.53 lbm/gal) adalah:
W1= (28,000) x (9.53) = 267,000 lb
Total berat dari tangki dalam adalah
W2 = (D + t) tL + (D + th)2 th
= (0.286) () (120.44) (0.4375) (549.6) + (0.286) () (120.25)2 (0.25)
= 26,000 + 3250 = 29,250 lb
Total berat yang harus disokong oleh stiffening rings adalah 267,000 + 29,250 = 296,250 lb 30,000 lb. Anggap digunakan 4 stiffening rings dengan jarak 13 ft. Sehingga beban berat untuk satu ring adalah:
W = 300,000/4 = 75,000 lb
Dari plot persamaan 7.6 dan 7.7, didapatkan gaya tekuk maksimum terjadi di lokasi =68.5 = 1.1952 rad. Dengan menggunakan pers 7.6:
= 1.8287 – 1.7189 = 0.1098
Dengan mengasumsikan besarnya diameter dalam dari inner shell sama dengan jari-jari rata-rata dari ring dan nantinya asumsi ini akan diperbaiki setelah besarnya cross section dari ring telah ditetapkan.
Mmax = (75,000 x 60 x 0.1098)/(2) = 78,700 in lbf
Z = 78,700 / 18,750 = 4.2 in2
7.2 PERANCANGAN TANGKI LUAR
Tekanan kritis untuk sebuah silinder panjang dapat dicari dengan:
(7.10)
(7.11)
dimana E = modulus Young
t = ketebalan tangki luar
Do= diameter tangki luar
v = rasio Poisson material tangki
pa = tekanan atomosfir pada outer shell
nilai 4 adalah faktor safety dan 1.27 adalah faktor out of roundeness
Yang termasuk tangki silinder panjang adalah tangki yang memenuhi ratio panjang terhadap diameter sbb :
(7.12)
Sedangkan untuk tangki berbentuk silinder pendek
(7.13)
dimana L = panjang silinder yang tidak disangga
Untuk kepala tangki luar harus tahan terhadap tekanan atmosfir dan kegagalan dari ketidakstabilan elastisitas. Tekanan kritis untuk kepala berbentuk bola dirumuskan dalam persamaan
(7.14)
dengan Ro adalah jari-jari luar kepala bola. Jari-jari mahkota dari torispherical head atau jari-jari dari elliptical head. Jari-jari untuk elliptical head dapat dicari dengan Ro=K1D,dimana D adalah diameter utama dan K1 adalah konstanta yang dapat dilihat di Tabel 3.
Luas momen inersia minimum untuk intermediate stiffening rings dapat ditentukan dengan :
(7.15)
dimana
pc = tekanan eksternal kritis (4 kali dari tekanan yang diperbolehkan)
Do = diameter luar dari tangki luar
L = jarak antara cincin penguat
E = modulus Young dari bahan material untuk cincin
Tabel 3 Equivalent radius for elliptical head under external pressure
D/D1 K1 D/D1 K1
3 1.25 1.8 0.81
2.8 1.27 1.6 0.73
2.6 1.18 1.4 0.65
2.4 1.08 1.2 0.57
2.2 0.99 1 0.5
2 0.9
Cincin penyangga utama harus mempunyai kekuatan untuk menahan tekanan luar dan menyangga berat dari tangki dalam dan isinya. Tipe beban penyangga ditunjukkan pada Gambar 7.4 . Untuk tipe beban ini momen tekuk cincin ditentukan oleh teori energi elastisitas.
Gambar 7.3 Beban pada bagian luar cincin penyokong dalam kaitannya dengan berat dari tangki dalam dan isinya
Gambar 7.4 Kurva momen tekuk untuk cincin penyokong bagian luar. Lokasi sudut dan sudut penyokong 1, dan 2 didefinisikan pada Gambar 7.3
1. Untuk 0 1
(7.16)
2. Untuk 1 2
(7.17)
3. Untuk
(7.18)
dimana W = total beban yang disangga cincin
R = rata-rata jari-jari cincin
dan sudut penyangga 1 dan 2 dan lokasi sudut didefinisikan dalam Gambar 7.4. Persamaan ini diplotkan dalam Gambar 7.5 untuk nilai 1 dan 2 yang tertentu. Momen tekuk yang terbesar yang diperoleh digunakan untuk menentukan luas momen inersia dari cincin yang dibutuhkan untuk menyangga berat tangki bagian dalam dan isinya dengan rumus:
I = Mmax c/sa (7.19)
dimana I = luas momen inersia
Mmax = momen tekuk maksimum
Karena tangki luar tidak langsung berinteraksi dengan suhu kriogenik, maka material tangki yang digunakan adalah baja untuk alasan ekonomi. Stainless steel stand off harus digunakan pada tangki baja pada titik dimana pipa menembus tangki untuk mencegah agar supaya tidak ada bagian tangki yang berinteraksi dengan suhu kriogenik.
Contoh 7.2
Rancanglah tangki luar untuk penyimpanan oksigen cair sebanyak 28,000 gal dengan kondisi operasi seperti contoh 7.1. Material yang digunakan adalah carbon steel SA-285 grade C. Titik penyangga adalah 1 = 70 dan 2 = 110.
Physical properties untuk carbon steel yang dibutuhkan :
E = 29 x 106 psi v = 0.26 sa = 13,750 psi
Jawab:
Anggap kita menggunakan dua cincin penguat utama dan tiga cincin penguat tambahan dengan jarak antar tiap cincin sebesar 0.75 ft. Tekanan kritis untuk tekanan eksternal sebesar 15 psi adalah
pc = (5) (15) = 75 psi
Ketebalan shell dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 7.13, dengan perkiraan pertama kita mengabaikan t/Do pada penyebut. Dengan menggunakan diameter luar tangki 12 ft, maka
= = 0.00368
sehingga
t = (0.0038)(144) = 0.530 in
Sehingga kita akan menggunakan ketebalan sebesar 5/8 in (0.625 in). Dengan memasukkan angka ini kedalam persamaan 7.13, maka didapatkan tekanan kritis:
= 107 psi
nilai ini lebih besar dari 75 psi, berarti ketebalan 5/8 in ini dapat digunakan.
Sedangkan untuk ketebalan hemispherical head dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 7.14:
= = 0.00294
Senin, 18 April 2011
Tangki Penyimpanan Cairan Kriogenik Dan Sistem Transport Cairan Kriogenik
Tangki penyimpanan untuk cairan kriogenik mempunyai dua bagian, yaitu tangki bagian dalam yang digunakan sebagai tangki untuk menampung produk dan tangki bagian luar sebagai pembatas antara kondisi ambient dengan tangki bagian dalam. Bagian antara tangki dalam dan tangki luar yang biasa disebut annulus merupakan bagian yang diisi oleh lapisan pemantul dan lapisan penyekat serta tekanan divakum. Lapisan pemantul dan penyekat serat pemvakuman bagian annulus bertujuan untuk menghalangi dan menghambat terjadinya penyerapan panas dari udara luar oleh tangki dalam yang jauh lebih dingin. Bagian pemantul berguna untuk mengurangi perpindahan radiasi, lapisan penyekat berfungsi untuk mengurangi perpindahan panas konduksi dan pemvakuman berfungsi untuk mengurangi panas konveksi. Tangki menurut bentuknya ada dua jenis, yaitu horisontal dan vertikal. Tangki horisontal mempunyai bentuk yang memanjang sehingga beban yang dialami oleh tangki hanya berasal dari beban produk dan berat tangki itu sendiri, sehingga jika ada guncangan akan relatif stabil. Sedangkan tangki vertikal, beban yang dialaminya berasal dari berat produk, berat tangki, terpaan angin dan gempa bumi, namun tangki vertikal bisa menghemat lahan.
Selain itu pipa pembuangan uap harus disediakan untuk membuang uap dari cairan kriogenik yang dihasilkan karena adanya panas yang masuk ke tangki dalam. Selain itu ada pipa untuk mengisi atau mengosongkan tangki dalam. Pengosongan atau pemindahan cairan di dalam tangki bisa dilakukan dengan cara pressurization atau dengan menggunakan pompa. Tangki dalam dihubungkan dengan batang suspensi, sehingga posisi tangki dalam menggantung terhadap tangki luar. Untuk memperkuat dinding tangki, baik bagian dalam maupun bagian luar, biasa digunakan cincin penguat yang melingkar di bagian dalam atau bagian luar tangki. Tangki dengan tanah tidak berhubungan langsung tetapi disangga oleh penyangga.
Dalam perancangan tangki dalam biasanya dirancang untuk tidak diisi penuh 100 %, tapi hanya diisi kurang lebih 90 %. Karena selalu ada panas yang masuk ke tangki sehingga tekanan tangki dalam akan meningkat akibat dari adanya cairan kriogenik yang terevaporasi. Tekanan tangki tersebut dapat meningkat dengan cepat apabila tidak ada ruang yang kosong dalam tangki bagian dalam. Bentuk tangki dapat berupa cylindrical, spherical, conical atau kombinasi dari ketiga bentuk tersebut. Pada umumnya bentuk yang paling ekonomis karena paling mudah dibuat adalah tangki berbentuk silinder dengan head berbentuk eliptical atau hemispherical. Sedangkan tangki spherical memiliki konfigurasi yang paling efisien jika dilihat dari jumlah panas yang masuk ke dalam tangki.
7.1 PERANCANGAN TANGKI DALAM
Ketebalan dinding tangki bagian dalam harus mampu menopang beban cairan kriogenik, tahan terhadap tekanan operasi dan adanya gaya tekuk (bending force). Untuk tangki dalam ini khusus untuk cairan kriogenik harus mempunyai material yang cocok dengan kondisi kriogenik. Bahan-bahan yang biasa yang digunakan adalah stainless steel, aluminum, monel dan sebagian tembaga. Material ini harganya relatif lebih mahal dibandingkan carbon steel yang biasa digunakan untuk tangki pada umumnya. Sehingga seorang perancang harus bisa menentukan ketebalan tangki yang optimal sehingga bisa menghemat anggaran. Untuk itu tangki bagian dalam ini dirancang untuk tahan terhadap gaya tekuk dan tekanan di dalam tangki. Ketebalan minimun dari tangki silinder ditentukan oleh persamaan:
(7.1)
dengan ti = ketebalan tangki dalam
p = tekanan dalam tangki
D = diameter tangki dalam
sa = tekanan yang diperbolehkan
cw = efisiensi pengelasan
Nilai-nilai untuk tegangan yang diperbolehkan untuk beberapa material yang digunakan untuk tangki kriogenik bisa dilihat pada Tabel 1, sedangkan untuk nilai efisiensi pengelasan dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 7.1 Tegangan maksimum yang diperbolehkan pada suhu kamar
Material Spesifikasi material Minimum tensile strength (MPa) Maximum allowable stress (MPa)
Carbon Steel SA-30 firebox A 379 95
SA-120 grade A 276 69
SA-120 grade C 95 95
SA-299 517 129
Low alloy Steel SA-202 grade B 586 147
SA-353 grade B (9% Ni) 655 164
SA-410 414 103
Aluminium SB-209 (11000-0) 76 16
Copper SB-11 207 46
Stainless Steel SA-240 (304) 517 129
SA-240 (304L) 48 121
SA-240 (316) 517 198
SA-240 (410) 448 112
Monel SB-127 483 121
Tabel 7.2 Efisiensi pengelasan
Tipe sambungan Radiograpi penuh Pemeriksaan spot Pemeriksaan non spot
Sambungan butt dengan tekanan penuh 1.00 0.85 0.7
Single welded butt joint with backing strip 0.9 0.8 0.65
Single welded butt joint without backing strip 0.6
Double full fillet lap joint 0.65
Jika diameter tangki luar yang diketahui, maka :
(7.2)
Dimana Do = diameter luar dari shell
Ketebalan dari eliptical dan hemispherical head dapat dihitung dengan persamaan :
(7.3)
(7.4)
dimana:
D = inside diameter spherical atau inside major diameter elliptical
Dc = outside diameter spherical atau outside major diameter elliptical
K = konstanta = 1/6 {2 + (D/D1)2} (7.5)
Untuk torispherical head maka persamaan 7.3 dan 7.4 dapat digunakan jika D=2 (crown radius) dan K = 0.885.
Cincin penguat tangki dalam berfungsi untuk mendukung berat cairan dalam tangki seperti digambarkan pada Gambar 7.1. Momen tekuk dapat dipecahkan dengan teori energi elastik.
1. Untuk
2M / WR = 0.5 cos + sin - (-) sin + cos + cos sin2 (7.6)
2. Untuk
2M / WR = 0.5 cos - ( - ) sin + + cos + cos sin2 (7.7)
dengan: M = momen tekuk pada lokasi
W = berat cairan yang disangga oleh cincin penguat
R = rata-rata jari-jari cincin
= sudut penyangga
Untuk kurang dari 70, momen tekuk maksimal terjadi pada titik penyangga dengan = , sehingga momen tekuk menjadi
2M / WR = (1.5 +sin2) cos - ( - ) sin (7.8)
Fungsi ini diplot pada Gambar 7.2. Untuk sudut penyangga lebih besar dari 70, momen tekuk maksimal harus menggunakan persamaan 7.6 dan 7.7. Setelah momen tekuk maksimum dari cincin penguat ditentukan, ukuran cincin penguat kemudian dapat ditentukan dari persamaan beban tekuk:
Z = Mmax / sa (7.9)
dengan Z adalah bagian modulus untuk luas cincin antara poros sejajar terhadap poros cincin.
Gambar 7.1 Beban dalam cincin penguat
Gambar 7.2 Kurva momen tekuk untuk cincin penguat tangki dalam
Contoh 7.1
Rancanglah ineer shell dan stiffening rings (cincin penguat) yang akan digunakan untuk menyimpan 28,000 gal oksigen cair. Tangki akan diangkut dengan kereta, sehingga diameter maksimum kontainer sebesar 13 ft karena adanya jembatan, dan sebagainya selama perjalanan. Tangki menggunakan 12 inch perlit sebagai insulasi, sehingga diameter inner shell harus 24 inch lebih kecil dari diameter outer shell. Bentuk head dari inner dan outer shell adalah hemispherical. Tekanan internal sebesar 100 psig dan 10 % ullage volume (ruang kosong di atas cairan). = 80. Material yang digunakan adalah 304 stainless steel.
Jawab:
V = 28,000 + (28,000 x 10 %) = 30,800 gal = 4120 ft3
Misalkan kita memilih diameter dalam untuk inner shell adalh D = 10 ft
V = ¼ D2L + ½ D2 = 78.5 L + 524 = 4120 ft3
Sehingga panjang shell, L = 45.8 ft
Ketebalan shell minimum dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 7.1. Dari Tabel 7.1 didapatkan allowable stress untuk jenis material yang digunakan sebesar 18,750 psi dan efisiensi pengelasan, cw= 100 %.
T = (115 x 120) / {2 x (18,750 – 69)} = 0.369 in
Sehingga kita akan memilih besar ketebalan = 7/16 in (0.437 in) dengan mempertimbangkan toleransi ketebalan sebesar 12.5 %.
Ketebalan head minimum dapat digunakan dengan menggunakan persamaan 7.3, dimana besarnya K adalah :
K = 1/6 x (2+1) =0.5
th = 0.1841 in
Dengan mempertimbangkan toleransi ketebalan 12.5 %, maka digunakan ketebalan head sebesar ¼ in (0.25 in).
Berat dari 28,000 gal oksigen cair (9.53 lbm/gal) adalah:
W1= (28,000) x (9.53) = 267,000 lb
Total berat dari tangki dalam adalah
W2 = (D + t) tL + (D + th)2 th
= (0.286) () (120.44) (0.4375) (549.6) + (0.286) () (120.25)2 (0.25)
= 26,000 + 3250 = 29,250 lb
Total berat yang harus disokong oleh stiffening rings adalah 267,000 + 29,250 = 296,250 lb 30,000 lb. Anggap digunakan 4 stiffening rings dengan jarak 13 ft. Sehingga beban berat untuk satu ring adalah:
W = 300,000/4 = 75,000 lb
Dari plot persamaan 7.6 dan 7.7, didapatkan gaya tekuk maksimum terjadi di lokasi =68.5 = 1.1952 rad. Dengan menggunakan pers 7.6:
= 1.8287 – 1.7189 = 0.1098
Dengan mengasumsikan besarnya diameter dalam dari inner shell sama dengan jari-jari rata-rata dari ring dan nantinya asumsi ini akan diperbaiki setelah besarnya cross section dari ring telah ditetapkan.
Mmax = (75,000 x 60 x 0.1098)/(2) = 78,700 in lbf
Z = 78,700 / 18,750 = 4.2 in2
7.2 PERANCANGAN TANGKI LUAR
Tekanan kritis untuk sebuah silinder panjang dapat dicari dengan:
(7.10)
(7.11)
dimana E = modulus Young
t = ketebalan tangki luar
Do= diameter tangki luar
v = rasio Poisson material tangki
pa = tekanan atomosfir pada outer shell
nilai 4 adalah faktor safety dan 1.27 adalah faktor out of roundeness
Yang termasuk tangki silinder panjang adalah tangki yang memenuhi ratio panjang terhadap diameter sbb :
(7.12)
Sedangkan untuk tangki berbentuk silinder pendek
(7.13)
dimana L = panjang silinder yang tidak disangga
Untuk kepala tangki luar harus tahan terhadap tekanan atmosfir dan kegagalan dari ketidakstabilan elastisitas. Tekanan kritis untuk kepala berbentuk bola dirumuskan dalam persamaan
(7.14)
dengan Ro adalah jari-jari luar kepala bola. Jari-jari mahkota dari torispherical head atau jari-jari dari elliptical head. Jari-jari untuk elliptical head dapat dicari dengan Ro=K1D,dimana D adalah diameter utama dan K1 adalah konstanta yang dapat dilihat di Tabel 3.
Luas momen inersia minimum untuk intermediate stiffening rings dapat ditentukan dengan :
(7.15)
dimana
pc = tekanan eksternal kritis (4 kali dari tekanan yang diperbolehkan)
Do = diameter luar dari tangki luar
L = jarak antara cincin penguat
E = modulus Young dari bahan material untuk cincin
Tabel 3 Equivalent radius for elliptical head under external pressure
D/D1 K1 D/D1 K1
3 1.25 1.8 0.81
2.8 1.27 1.6 0.73
2.6 1.18 1.4 0.65
2.4 1.08 1.2 0.57
2.2 0.99 1 0.5
2 0.9
Cincin penyangga utama harus mempunyai kekuatan untuk menahan tekanan luar dan menyangga berat dari tangki dalam dan isinya. Tipe beban penyangga ditunjukkan pada Gambar 7.4 . Untuk tipe beban ini momen tekuk cincin ditentukan oleh teori energi elastisitas.
Gambar 7.3 Beban pada bagian luar cincin penyokong dalam kaitannya dengan berat dari tangki dalam dan isinya
Gambar 7.4 Kurva momen tekuk untuk cincin penyokong bagian luar. Lokasi sudut dan sudut penyokong 1, dan 2 didefinisikan pada Gambar 7.3
1. Untuk 0 1
(7.16)
2. Untuk 1 2
(7.17)
3. Untuk
(7.18)
dimana W = total beban yang disangga cincin
R = rata-rata jari-jari cincin
dan sudut penyangga 1 dan 2 dan lokasi sudut didefinisikan dalam Gambar 7.4. Persamaan ini diplotkan dalam Gambar 7.5 untuk nilai 1 dan 2 yang tertentu. Momen tekuk yang terbesar yang diperoleh digunakan untuk menentukan luas momen inersia dari cincin yang dibutuhkan untuk menyangga berat tangki bagian dalam dan isinya dengan rumus:
I = Mmax c/sa (7.19)
dimana I = luas momen inersia
Mmax = momen tekuk maksimum
Karena tangki luar tidak langsung berinteraksi dengan suhu kriogenik, maka material tangki yang digunakan adalah baja untuk alasan ekonomi. Stainless steel stand off harus digunakan pada tangki baja pada titik dimana pipa menembus tangki untuk mencegah agar supaya tidak ada bagian tangki yang berinteraksi dengan suhu kriogenik.
Contoh 7.2
Rancanglah tangki luar untuk penyimpanan oksigen cair sebanyak 28,000 gal dengan kondisi operasi seperti contoh 7.1. Material yang digunakan adalah carbon steel SA-285 grade C. Titik penyangga adalah 1 = 70 dan 2 = 110.
Physical properties untuk carbon steel yang dibutuhkan :
E = 29 x 106 psi v = 0.26 sa = 13,750 psi
Jawab:
Anggap kita menggunakan dua cincin penguat utama dan tiga cincin penguat tambahan dengan jarak antar tiap cincin sebesar 0.75 ft. Tekanan kritis untuk tekanan eksternal sebesar 15 psi adalah
pc = (5) (15) = 75 psi
Ketebalan shell dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 7.13, dengan perkiraan pertama kita mengabaikan t/Do pada penyebut. Dengan menggunakan diameter luar tangki 12 ft, maka
= = 0.00368
sehingga
t = (0.0038)(144) = 0.530 in
Sehingga kita akan menggunakan ketebalan sebesar 5/8 in (0.625 in). Dengan memasukkan angka ini kedalam persamaan 7.13, maka didapatkan tekanan kritis:
= 107 psi
nilai ini lebih besar dari 75 psi, berarti ketebalan 5/8 in ini dapat digunakan.
Sedangkan untuk ketebalan hemispherical head dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 7.14:
= = 0.00294
Tangki penyimpanan untuk cairan kriogenik mempunyai dua bagian, yaitu tangki bagian dalam yang digunakan sebagai tangki untuk menampung produk dan tangki bagian luar sebagai pembatas antara kondisi ambient dengan tangki bagian dalam. Bagian antara tangki dalam dan tangki luar yang biasa disebut annulus merupakan bagian yang diisi oleh lapisan pemantul dan lapisan penyekat serta tekanan divakum. Lapisan pemantul dan penyekat serat pemvakuman bagian annulus bertujuan untuk menghalangi dan menghambat terjadinya penyerapan panas dari udara luar oleh tangki dalam yang jauh lebih dingin. Bagian pemantul berguna untuk mengurangi perpindahan radiasi, lapisan penyekat berfungsi untuk mengurangi perpindahan panas konduksi dan pemvakuman berfungsi untuk mengurangi panas konveksi. Tangki menurut bentuknya ada dua jenis, yaitu horisontal dan vertikal. Tangki horisontal mempunyai bentuk yang memanjang sehingga beban yang dialami oleh tangki hanya berasal dari beban produk dan berat tangki itu sendiri, sehingga jika ada guncangan akan relatif stabil. Sedangkan tangki vertikal, beban yang dialaminya berasal dari berat produk, berat tangki, terpaan angin dan gempa bumi, namun tangki vertikal bisa menghemat lahan.
Selain itu pipa pembuangan uap harus disediakan untuk membuang uap dari cairan kriogenik yang dihasilkan karena adanya panas yang masuk ke tangki dalam. Selain itu ada pipa untuk mengisi atau mengosongkan tangki dalam. Pengosongan atau pemindahan cairan di dalam tangki bisa dilakukan dengan cara pressurization atau dengan menggunakan pompa. Tangki dalam dihubungkan dengan batang suspensi, sehingga posisi tangki dalam menggantung terhadap tangki luar. Untuk memperkuat dinding tangki, baik bagian dalam maupun bagian luar, biasa digunakan cincin penguat yang melingkar di bagian dalam atau bagian luar tangki. Tangki dengan tanah tidak berhubungan langsung tetapi disangga oleh penyangga.
Dalam perancangan tangki dalam biasanya dirancang untuk tidak diisi penuh 100 %, tapi hanya diisi kurang lebih 90 %. Karena selalu ada panas yang masuk ke tangki sehingga tekanan tangki dalam akan meningkat akibat dari adanya cairan kriogenik yang terevaporasi. Tekanan tangki tersebut dapat meningkat dengan cepat apabila tidak ada ruang yang kosong dalam tangki bagian dalam. Bentuk tangki dapat berupa cylindrical, spherical, conical atau kombinasi dari ketiga bentuk tersebut. Pada umumnya bentuk yang paling ekonomis karena paling mudah dibuat adalah tangki berbentuk silinder dengan head berbentuk eliptical atau hemispherical. Sedangkan tangki spherical memiliki konfigurasi yang paling efisien jika dilihat dari jumlah panas yang masuk ke dalam tangki.
7.1 PERANCANGAN TANGKI DALAM
Ketebalan dinding tangki bagian dalam harus mampu menopang beban cairan kriogenik, tahan terhadap tekanan operasi dan adanya gaya tekuk (bending force). Untuk tangki dalam ini khusus untuk cairan kriogenik harus mempunyai material yang cocok dengan kondisi kriogenik. Bahan-bahan yang biasa yang digunakan adalah stainless steel, aluminum, monel dan sebagian tembaga. Material ini harganya relatif lebih mahal dibandingkan carbon steel yang biasa digunakan untuk tangki pada umumnya. Sehingga seorang perancang harus bisa menentukan ketebalan tangki yang optimal sehingga bisa menghemat anggaran. Untuk itu tangki bagian dalam ini dirancang untuk tahan terhadap gaya tekuk dan tekanan di dalam tangki. Ketebalan minimun dari tangki silinder ditentukan oleh persamaan:
(7.1)
dengan ti = ketebalan tangki dalam
p = tekanan dalam tangki
D = diameter tangki dalam
sa = tekanan yang diperbolehkan
cw = efisiensi pengelasan
Nilai-nilai untuk tegangan yang diperbolehkan untuk beberapa material yang digunakan untuk tangki kriogenik bisa dilihat pada Tabel 1, sedangkan untuk nilai efisiensi pengelasan dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 7.1 Tegangan maksimum yang diperbolehkan pada suhu kamar
Material Spesifikasi material Minimum tensile strength (MPa) Maximum allowable stress (MPa)
Carbon Steel SA-30 firebox A 379 95
SA-120 grade A 276 69
SA-120 grade C 95 95
SA-299 517 129
Low alloy Steel SA-202 grade B 586 147
SA-353 grade B (9% Ni) 655 164
SA-410 414 103
Aluminium SB-209 (11000-0) 76 16
Copper SB-11 207 46
Stainless Steel SA-240 (304) 517 129
SA-240 (304L) 48 121
SA-240 (316) 517 198
SA-240 (410) 448 112
Monel SB-127 483 121
Tabel 7.2 Efisiensi pengelasan
Tipe sambungan Radiograpi penuh Pemeriksaan spot Pemeriksaan non spot
Sambungan butt dengan tekanan penuh 1.00 0.85 0.7
Single welded butt joint with backing strip 0.9 0.8 0.65
Single welded butt joint without backing strip 0.6
Double full fillet lap joint 0.65
Jika diameter tangki luar yang diketahui, maka :
(7.2)
Dimana Do = diameter luar dari shell
Ketebalan dari eliptical dan hemispherical head dapat dihitung dengan persamaan :
(7.3)
(7.4)
dimana:
D = inside diameter spherical atau inside major diameter elliptical
Dc = outside diameter spherical atau outside major diameter elliptical
K = konstanta = 1/6 {2 + (D/D1)2} (7.5)
Untuk torispherical head maka persamaan 7.3 dan 7.4 dapat digunakan jika D=2 (crown radius) dan K = 0.885.
Cincin penguat tangki dalam berfungsi untuk mendukung berat cairan dalam tangki seperti digambarkan pada Gambar 7.1. Momen tekuk dapat dipecahkan dengan teori energi elastik.
1. Untuk
2M / WR = 0.5 cos + sin - (-) sin + cos + cos sin2 (7.6)
2. Untuk
2M / WR = 0.5 cos - ( - ) sin + + cos + cos sin2 (7.7)
dengan: M = momen tekuk pada lokasi
W = berat cairan yang disangga oleh cincin penguat
R = rata-rata jari-jari cincin
= sudut penyangga
Untuk kurang dari 70, momen tekuk maksimal terjadi pada titik penyangga dengan = , sehingga momen tekuk menjadi
2M / WR = (1.5 +sin2) cos - ( - ) sin (7.8)
Fungsi ini diplot pada Gambar 7.2. Untuk sudut penyangga lebih besar dari 70, momen tekuk maksimal harus menggunakan persamaan 7.6 dan 7.7. Setelah momen tekuk maksimum dari cincin penguat ditentukan, ukuran cincin penguat kemudian dapat ditentukan dari persamaan beban tekuk:
Z = Mmax / sa (7.9)
dengan Z adalah bagian modulus untuk luas cincin antara poros sejajar terhadap poros cincin.
Gambar 7.1 Beban dalam cincin penguat
Gambar 7.2 Kurva momen tekuk untuk cincin penguat tangki dalam
Contoh 7.1
Rancanglah ineer shell dan stiffening rings (cincin penguat) yang akan digunakan untuk menyimpan 28,000 gal oksigen cair. Tangki akan diangkut dengan kereta, sehingga diameter maksimum kontainer sebesar 13 ft karena adanya jembatan, dan sebagainya selama perjalanan. Tangki menggunakan 12 inch perlit sebagai insulasi, sehingga diameter inner shell harus 24 inch lebih kecil dari diameter outer shell. Bentuk head dari inner dan outer shell adalah hemispherical. Tekanan internal sebesar 100 psig dan 10 % ullage volume (ruang kosong di atas cairan). = 80. Material yang digunakan adalah 304 stainless steel.
Jawab:
V = 28,000 + (28,000 x 10 %) = 30,800 gal = 4120 ft3
Misalkan kita memilih diameter dalam untuk inner shell adalh D = 10 ft
V = ¼ D2L + ½ D2 = 78.5 L + 524 = 4120 ft3
Sehingga panjang shell, L = 45.8 ft
Ketebalan shell minimum dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 7.1. Dari Tabel 7.1 didapatkan allowable stress untuk jenis material yang digunakan sebesar 18,750 psi dan efisiensi pengelasan, cw= 100 %.
T = (115 x 120) / {2 x (18,750 – 69)} = 0.369 in
Sehingga kita akan memilih besar ketebalan = 7/16 in (0.437 in) dengan mempertimbangkan toleransi ketebalan sebesar 12.5 %.
Ketebalan head minimum dapat digunakan dengan menggunakan persamaan 7.3, dimana besarnya K adalah :
K = 1/6 x (2+1) =0.5
th = 0.1841 in
Dengan mempertimbangkan toleransi ketebalan 12.5 %, maka digunakan ketebalan head sebesar ¼ in (0.25 in).
Berat dari 28,000 gal oksigen cair (9.53 lbm/gal) adalah:
W1= (28,000) x (9.53) = 267,000 lb
Total berat dari tangki dalam adalah
W2 = (D + t) tL + (D + th)2 th
= (0.286) () (120.44) (0.4375) (549.6) + (0.286) () (120.25)2 (0.25)
= 26,000 + 3250 = 29,250 lb
Total berat yang harus disokong oleh stiffening rings adalah 267,000 + 29,250 = 296,250 lb 30,000 lb. Anggap digunakan 4 stiffening rings dengan jarak 13 ft. Sehingga beban berat untuk satu ring adalah:
W = 300,000/4 = 75,000 lb
Dari plot persamaan 7.6 dan 7.7, didapatkan gaya tekuk maksimum terjadi di lokasi =68.5 = 1.1952 rad. Dengan menggunakan pers 7.6:
= 1.8287 – 1.7189 = 0.1098
Dengan mengasumsikan besarnya diameter dalam dari inner shell sama dengan jari-jari rata-rata dari ring dan nantinya asumsi ini akan diperbaiki setelah besarnya cross section dari ring telah ditetapkan.
Mmax = (75,000 x 60 x 0.1098)/(2) = 78,700 in lbf
Z = 78,700 / 18,750 = 4.2 in2
7.2 PERANCANGAN TANGKI LUAR
Tekanan kritis untuk sebuah silinder panjang dapat dicari dengan:
(7.10)
(7.11)
dimana E = modulus Young
t = ketebalan tangki luar
Do= diameter tangki luar
v = rasio Poisson material tangki
pa = tekanan atomosfir pada outer shell
nilai 4 adalah faktor safety dan 1.27 adalah faktor out of roundeness
Yang termasuk tangki silinder panjang adalah tangki yang memenuhi ratio panjang terhadap diameter sbb :
(7.12)
Sedangkan untuk tangki berbentuk silinder pendek
(7.13)
dimana L = panjang silinder yang tidak disangga
Untuk kepala tangki luar harus tahan terhadap tekanan atmosfir dan kegagalan dari ketidakstabilan elastisitas. Tekanan kritis untuk kepala berbentuk bola dirumuskan dalam persamaan
(7.14)
dengan Ro adalah jari-jari luar kepala bola. Jari-jari mahkota dari torispherical head atau jari-jari dari elliptical head. Jari-jari untuk elliptical head dapat dicari dengan Ro=K1D,dimana D adalah diameter utama dan K1 adalah konstanta yang dapat dilihat di Tabel 3.
Luas momen inersia minimum untuk intermediate stiffening rings dapat ditentukan dengan :
(7.15)
dimana
pc = tekanan eksternal kritis (4 kali dari tekanan yang diperbolehkan)
Do = diameter luar dari tangki luar
L = jarak antara cincin penguat
E = modulus Young dari bahan material untuk cincin
Tabel 3 Equivalent radius for elliptical head under external pressure
D/D1 K1 D/D1 K1
3 1.25 1.8 0.81
2.8 1.27 1.6 0.73
2.6 1.18 1.4 0.65
2.4 1.08 1.2 0.57
2.2 0.99 1 0.5
2 0.9
Cincin penyangga utama harus mempunyai kekuatan untuk menahan tekanan luar dan menyangga berat dari tangki dalam dan isinya. Tipe beban penyangga ditunjukkan pada Gambar 7.4 . Untuk tipe beban ini momen tekuk cincin ditentukan oleh teori energi elastisitas.
Gambar 7.3 Beban pada bagian luar cincin penyokong dalam kaitannya dengan berat dari tangki dalam dan isinya
Gambar 7.4 Kurva momen tekuk untuk cincin penyokong bagian luar. Lokasi sudut dan sudut penyokong 1, dan 2 didefinisikan pada Gambar 7.3
1. Untuk 0 1
(7.16)
2. Untuk 1 2
(7.17)
3. Untuk
(7.18)
dimana W = total beban yang disangga cincin
R = rata-rata jari-jari cincin
dan sudut penyangga 1 dan 2 dan lokasi sudut didefinisikan dalam Gambar 7.4. Persamaan ini diplotkan dalam Gambar 7.5 untuk nilai 1 dan 2 yang tertentu. Momen tekuk yang terbesar yang diperoleh digunakan untuk menentukan luas momen inersia dari cincin yang dibutuhkan untuk menyangga berat tangki bagian dalam dan isinya dengan rumus:
I = Mmax c/sa (7.19)
dimana I = luas momen inersia
Mmax = momen tekuk maksimum
Karena tangki luar tidak langsung berinteraksi dengan suhu kriogenik, maka material tangki yang digunakan adalah baja untuk alasan ekonomi. Stainless steel stand off harus digunakan pada tangki baja pada titik dimana pipa menembus tangki untuk mencegah agar supaya tidak ada bagian tangki yang berinteraksi dengan suhu kriogenik.
Contoh 7.2
Rancanglah tangki luar untuk penyimpanan oksigen cair sebanyak 28,000 gal dengan kondisi operasi seperti contoh 7.1. Material yang digunakan adalah carbon steel SA-285 grade C. Titik penyangga adalah 1 = 70 dan 2 = 110.
Physical properties untuk carbon steel yang dibutuhkan :
E = 29 x 106 psi v = 0.26 sa = 13,750 psi
Jawab:
Anggap kita menggunakan dua cincin penguat utama dan tiga cincin penguat tambahan dengan jarak antar tiap cincin sebesar 0.75 ft. Tekanan kritis untuk tekanan eksternal sebesar 15 psi adalah
pc = (5) (15) = 75 psi
Ketebalan shell dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 7.13, dengan perkiraan pertama kita mengabaikan t/Do pada penyebut. Dengan menggunakan diameter luar tangki 12 ft, maka
= = 0.00368
sehingga
t = (0.0038)(144) = 0.530 in
Sehingga kita akan menggunakan ketebalan sebesar 5/8 in (0.625 in). Dengan memasukkan angka ini kedalam persamaan 7.13, maka didapatkan tekanan kritis:
= 107 psi
nilai ini lebih besar dari 75 psi, berarti ketebalan 5/8 in ini dapat digunakan.
Sedangkan untuk ketebalan hemispherical head dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 7.14:
= = 0.00294
Minggu, 03 April 2011
Design of pressure vessel
You can also find information on these
courses and all of ASME, including ASME
Professional Development, the Vice
President of Professional Development,
and other contacts at the ASME Web
site……
http://www.asme.org
http://files.asme.org/asmeorg/Governance/Volunteer/CareerSeries/9667.pdf
Sabtu, 05 Maret 2011
Jumat, 30 Juli 2010
Desain Sistem Pipa pada Struktur Bagunan Laut dan Kapal
Kriteria Desain Sistem Pipa
Dalam mendesain sistem pipa pada struktur bangunan lat dan kapal, maka hal terpenting yang harus diperhatikan adalah tentang beberapa parameter – parameter tertentu . Parameter / kriteria ini harus diperhatikan . Karena sistem perpipaan ini mempunyai faktor yang sangat penting dari sederatan proses dari operasi pengeboran minyak di lepas pantai. Dengan berpedoman pada parameter tersebu maka akan diharapkan sistem keamaanan / safety dari operasi sistem bangunan laut dan kapal itu akan sangat bergantung sekali pada susunan pipa dan beberapa peralatan lain.
Kita tahu bahwa operasi dari bangunan lepas pantai ini sangat bergantung pada kerja dari mesin utama dan kerja drai mesin bantu, efisiensi dari mesin ini akan berkurang fungsinya apabila tidak dilengkapi dengan sistem perpipaan . sistem perpipaan ini berguna untuk membawa tenaga dalam bentuk uap air keketel uap . Selain itu fungsi dari pipa ini adalah untuk memindahkan hasil kerja dari pompa – pompa ke tempat – tempat yang memerlukan baik dalam bentuk pengisapan atau pengeluaran . kriteria – kriteria yangharus dipenuhi dalam pendesainan sebuah sistem pipa pada struktur bangunan laut dan kapal adalah
1. Pembagian Golongan pipa
2. Bahan dari pipa.
3. Katup dan peralatan ( Flens )
4. Pressure Drop
5. Perhitungan tebal pipa.
Pembagian Golongan pipa
Dalam masalah perencanaan dan juga tentang konstruksi sistem pipa pada struktur bangunan laut dan kapal .Maka penggolongan jenis pipa yang digunakan dalam design pipa adalah dapat dibagi menjadi 2 golongan , Yaitu ;
1. Golongan 1
Yang termasuk dalam dalam pipa golongan 1 adalah semua jenis pipa yang memiliki tekanan dan temperatur yang bermacam – macam , tergantung pada kerjanya , yaitu :
Uap air dan udara diatas 150 psi atau diatas 370 F.
Air diatas 150 psi atau diatas 200 F.
Minyak diatas 150 psi atau diatas 150 F.
Serta gas dan cairan yang beracun pada semua tekanan dan temperatur.
2. Golongan II
Yang termasuk dalam golongan 2 adalah semua jenis pipa , dengan tekanan kerja dan temperatur di bawah tekanan kerja dan temperatur yang dicantumkan dalam golongan I
Bahan Pipa
Dalam pemilihan bahan yang paling cocok untuk sistem pipa, yang harus diperhatikan adalah tentang ;
* Kekuatan / Strength
* Tahanan Pipa terhadap Korosi.
Bahan yang biasanya dipakai dalam design pipa adalah ;
1. Seamless drawn steel pipe / pipa baja tanpa sambungan
Dengan ciri – cirinya sebagai berikut ;
Dipakai untuk pipa tekan pada sistem bahan bakar
Injeksi bahan bakar dari motor pembakaran dalam
Terbuat dari bahan baja atau dari kuningan
2. Lap welded / electric resistance welded stell pipe
Dengan ciri – cirinya sebagai berikut :
Dipakai pada tekanan kerja < 350 psi dan suhu < 450 F
Bahan daripipa terbuat dari timah hitam yang biasanya pipa jenis ini di gunkan untuk saluran suply air laut dan saluran pipa sistem bilga
Semua pipa – pipa bahan bakar dan pipa lainnya yang melalui tangki minyak harus dibuat dari baja tempa dan besi tempa.
Katup dan peralatan ( Flens )
Katup dan peralatan kerja dari pipa ini biasanya terebuat dari bahan – bahan baja tempa, besi tuang, campuran setengah baja ( semi Steel ) . Namun yang harus diperhatikan dari dalam pemilihan bahannnya adalah tentang batas – batas dari tekanan dan temperatur.
Flens yang digunakan pada sistem pipa , ada bermacam – macam. Selain itu juga harus mempertimbangkan tentang bahan yang akan digunakan , yaitu :
* Untuk pipa baja dengan diameter nominal lebih besar dari 2 inchi harus dimuaikan ke dalam flens baja atau dapat di sekrup kedalam flens kemudian di las
* Untuk pipa baja dengan diameter nominal lebih dari 2 inchi , harus dimuaikan ke dalam flens baja
* Flens dari besi tuang dapat digunakan dengan sistem sambungan yang di sekrup dan hanya boleh di pakai didalam sistem dimana penggunaanya tidak dilarang
* Untuk pipa yang tidak terbuat dari baja / besi harus di patri , tetapi diameter harus lebih kecil atau sama dengan 2 inchi dapat di sekrup
Pressure Drop
Ukuran dari sebuah saluran pipa biasanya berdasarkan pada keseimbangan antara pressure drop di satu pihak dan biaya serta berat di pihak lain.. Pressure drop dalam sebuah pipa adalah fungsi dari kecepatan berat jenis dan kekentalan / viscositas dari cairan dan panjang serta diameter pipa.
Pressure drop yang dipasang , disamping sebagai fungsi yang disebut diatas tadi , juga berfungsi sebagai sifat aliran / arus termasuk jumlah dan jari – jari serta tingkat turbulensi. Didalam penggunaanya dilaut , dimana saluran pipa biasanya pendek , bagian terbesar dari jumlah pressure drop dalam sebuah sistem akan terjadi didalam saluran keran .
Perhitungan tebal dari Pipa.
Ketebalan dari pipa pada struktur bangunan laut dan kapal , itu tergantung pada cara kerja dari sistem tersebut . Biasanya pipa tersebut dibuat menurut ukuran standart , sehingga apabila jika terjadi penyimpangan dari ukuran standart , akan menambah biaya extra. Semua jenis pipa , harus direncanakan , tidak hanya untuk menahan tekanan kerja bagian dalam , tetapi juga untuk melindungi terhadap kerusakan – kerusakan dari luar karena letak dari pipa ini adalah dari dalam struktur bangunan laut dan dari kapal itu sendiri.
Sebagai petunjuk di dalam menentukan ketebalan pipa, Maka harus memenuhi syarat – syarat dari American Bureau Of Shipping menyatakan; ”Tekanan kerja maximum dan tebal minimum harus dihitung dengan persamaan berikut, dimana perlu juga diperhatikan tentang terjadinya pengurangan ketebalan pipa pada radius luar dari pipa”.
Ukuran – ukuran dari pipa ini harus mengacu pada aturan dari American Standart Association . Didalam keadaan yang khusus , ukuran – ukuran dan ketebalan – ketebalan yang di peroleh , Tetapi sebaiknya ukuran – ukuran standart harus selalu dipergunakan dalam pertimbangan ekonomis dan juga kecepatan didalam pengiriman.
Dalam mendesain sistem pipa pada struktur bangunan lat dan kapal, maka hal terpenting yang harus diperhatikan adalah tentang beberapa parameter – parameter tertentu . Parameter / kriteria ini harus diperhatikan . Karena sistem perpipaan ini mempunyai faktor yang sangat penting dari sederatan proses dari operasi pengeboran minyak di lepas pantai. Dengan berpedoman pada parameter tersebu maka akan diharapkan sistem keamaanan / safety dari operasi sistem bangunan laut dan kapal itu akan sangat bergantung sekali pada susunan pipa dan beberapa peralatan lain.
Kita tahu bahwa operasi dari bangunan lepas pantai ini sangat bergantung pada kerja dari mesin utama dan kerja drai mesin bantu, efisiensi dari mesin ini akan berkurang fungsinya apabila tidak dilengkapi dengan sistem perpipaan . sistem perpipaan ini berguna untuk membawa tenaga dalam bentuk uap air keketel uap . Selain itu fungsi dari pipa ini adalah untuk memindahkan hasil kerja dari pompa – pompa ke tempat – tempat yang memerlukan baik dalam bentuk pengisapan atau pengeluaran . kriteria – kriteria yangharus dipenuhi dalam pendesainan sebuah sistem pipa pada struktur bangunan laut dan kapal adalah
1. Pembagian Golongan pipa
2. Bahan dari pipa.
3. Katup dan peralatan ( Flens )
4. Pressure Drop
5. Perhitungan tebal pipa.
Pembagian Golongan pipa
Dalam masalah perencanaan dan juga tentang konstruksi sistem pipa pada struktur bangunan laut dan kapal .Maka penggolongan jenis pipa yang digunakan dalam design pipa adalah dapat dibagi menjadi 2 golongan , Yaitu ;
1. Golongan 1
Yang termasuk dalam dalam pipa golongan 1 adalah semua jenis pipa yang memiliki tekanan dan temperatur yang bermacam – macam , tergantung pada kerjanya , yaitu :
Uap air dan udara diatas 150 psi atau diatas 370 F.
Air diatas 150 psi atau diatas 200 F.
Minyak diatas 150 psi atau diatas 150 F.
Serta gas dan cairan yang beracun pada semua tekanan dan temperatur.
2. Golongan II
Yang termasuk dalam golongan 2 adalah semua jenis pipa , dengan tekanan kerja dan temperatur di bawah tekanan kerja dan temperatur yang dicantumkan dalam golongan I
Bahan Pipa
Dalam pemilihan bahan yang paling cocok untuk sistem pipa, yang harus diperhatikan adalah tentang ;
* Kekuatan / Strength
* Tahanan Pipa terhadap Korosi.
Bahan yang biasanya dipakai dalam design pipa adalah ;
1. Seamless drawn steel pipe / pipa baja tanpa sambungan
Dengan ciri – cirinya sebagai berikut ;
Dipakai untuk pipa tekan pada sistem bahan bakar
Injeksi bahan bakar dari motor pembakaran dalam
Terbuat dari bahan baja atau dari kuningan
2. Lap welded / electric resistance welded stell pipe
Dengan ciri – cirinya sebagai berikut :
Dipakai pada tekanan kerja < 350 psi dan suhu < 450 F
Bahan daripipa terbuat dari timah hitam yang biasanya pipa jenis ini di gunkan untuk saluran suply air laut dan saluran pipa sistem bilga
Semua pipa – pipa bahan bakar dan pipa lainnya yang melalui tangki minyak harus dibuat dari baja tempa dan besi tempa.
Katup dan peralatan ( Flens )
Katup dan peralatan kerja dari pipa ini biasanya terebuat dari bahan – bahan baja tempa, besi tuang, campuran setengah baja ( semi Steel ) . Namun yang harus diperhatikan dari dalam pemilihan bahannnya adalah tentang batas – batas dari tekanan dan temperatur.
Flens yang digunakan pada sistem pipa , ada bermacam – macam. Selain itu juga harus mempertimbangkan tentang bahan yang akan digunakan , yaitu :
* Untuk pipa baja dengan diameter nominal lebih besar dari 2 inchi harus dimuaikan ke dalam flens baja atau dapat di sekrup kedalam flens kemudian di las
* Untuk pipa baja dengan diameter nominal lebih dari 2 inchi , harus dimuaikan ke dalam flens baja
* Flens dari besi tuang dapat digunakan dengan sistem sambungan yang di sekrup dan hanya boleh di pakai didalam sistem dimana penggunaanya tidak dilarang
* Untuk pipa yang tidak terbuat dari baja / besi harus di patri , tetapi diameter harus lebih kecil atau sama dengan 2 inchi dapat di sekrup
Pressure Drop
Ukuran dari sebuah saluran pipa biasanya berdasarkan pada keseimbangan antara pressure drop di satu pihak dan biaya serta berat di pihak lain.. Pressure drop dalam sebuah pipa adalah fungsi dari kecepatan berat jenis dan kekentalan / viscositas dari cairan dan panjang serta diameter pipa.
Pressure drop yang dipasang , disamping sebagai fungsi yang disebut diatas tadi , juga berfungsi sebagai sifat aliran / arus termasuk jumlah dan jari – jari serta tingkat turbulensi. Didalam penggunaanya dilaut , dimana saluran pipa biasanya pendek , bagian terbesar dari jumlah pressure drop dalam sebuah sistem akan terjadi didalam saluran keran .
Perhitungan tebal dari Pipa.
Ketebalan dari pipa pada struktur bangunan laut dan kapal , itu tergantung pada cara kerja dari sistem tersebut . Biasanya pipa tersebut dibuat menurut ukuran standart , sehingga apabila jika terjadi penyimpangan dari ukuran standart , akan menambah biaya extra. Semua jenis pipa , harus direncanakan , tidak hanya untuk menahan tekanan kerja bagian dalam , tetapi juga untuk melindungi terhadap kerusakan – kerusakan dari luar karena letak dari pipa ini adalah dari dalam struktur bangunan laut dan dari kapal itu sendiri.
Sebagai petunjuk di dalam menentukan ketebalan pipa, Maka harus memenuhi syarat – syarat dari American Bureau Of Shipping menyatakan; ”Tekanan kerja maximum dan tebal minimum harus dihitung dengan persamaan berikut, dimana perlu juga diperhatikan tentang terjadinya pengurangan ketebalan pipa pada radius luar dari pipa”.
Ukuran – ukuran dari pipa ini harus mengacu pada aturan dari American Standart Association . Didalam keadaan yang khusus , ukuran – ukuran dan ketebalan – ketebalan yang di peroleh , Tetapi sebaiknya ukuran – ukuran standart harus selalu dipergunakan dalam pertimbangan ekonomis dan juga kecepatan didalam pengiriman.
Analisa Dinamis Vibrasi pada Pipa
Analisa Dinamis Vibrasi pada Pipa dengan Bantuan ANSYS 11.0
Fluida yang mengalir di dalam pipa bisa menyebabkan pipa mengalami kegagalan. Hal ini terjadi jika tegangan yang dihasilkan oleh fluida yang diterima dinding pipa melebihi tegangan ijin dari material pipa tersebut. Apalagi jika pipa tersebut mempunyai sambungan SBC (small bore connection) maka yang menjadi batasan maksimal adalah berapa tegangan yang diijinkan terjadi pada daerah sambungan SBC. Dimana nilainya tergantung pada jenis dan tipe sambungan SBC yang mana mempunyai grafik S-N (fatigue/kelelahan) yang berbeda-beda.
Menganalisa fenomena ini bisa digunakan bantuan Finite Elemen Method (FEM) dengan bantuan piranti komputer. Ada beberapa software yang bisa digunakan untuk menyelesaikan masalah ini dan yang saya rekomendasikan adalah software ANSYS. ANSYS adalah software multi guna yang bisa digunakan untuk memodelkan dan menyelesaikan berbagai macam masalah dalam dunia industri. Untuk masalah pipa sebenarnya ada beberapa software yang bisa membantu seperti CAESAR dan AutoPipe. Namun untuk analisa dinamis akibat vibrasi karena fluida yang mengalir di dalam pipa sejauh yang saya pahami kedua software tersebut tidak mampu untuk melakukannya. CAESAR dan AutoPipa lebih pada analisa statis biasa dan analisa dinamis lebih pada analisa untuk masalah water hammer dan fluid transient.
Untuk analisa dengan bantuan ANSYS yang perlu dipersiapkan adalah 3 jenis software ANSYS yaitu ANSYS ICEM, ANSYS CFX dan ANSYS Multiphysic, semuanya tersedia dalam package ANSYS version 11.0
ANSYS ICEM
Digunakan untuk memodelkan fluida dimana model fluida sama dengan model pipa itu sendiri karena seperti yang kita ketahui bentuk fluida tergantung pada wadahnya. Jadi intinya di ANSYS ini semua geometri yang digunakan adalah geometri pipa, yaitu diameter dalam dan panjang pipa. Kita tidak memasukkan ketebalan pipa. Setelah model jadi, kemudian kita lakukan meshing. Meshing adalah bagian terpenting dalam ANSYS. Usahakan membuat ukuran meshing sekecil mungkin sehingga output hasil analisa akan semakin valid.
Untuk memudahkan pemodelan dalam ANSYS ICEM, bagi yang terbiasa menggunakan software AutoCAD kita bisa menggukannya. Modelkan di AutoCAD lalu filenya dipanggil di ANSYS ICEM. Jadi setelah memanggil file kita tinggal melakukan meshing.
ANSYS CFX
Digunakan untuk menganalisa fluida yang sudah dimodelkan dalam ANSYS ICEM. Di sini kita memanggil file model yang sudah dimeshing oleh ANSYS ICEM. ANSYS CFX bisa mengeluarkan output mulai dari pressure fluida ke segalah arah maupun resultannya, force, temperatur, sebaran kecepatan fluida, dan lain-lain. Seperti ANSYS pada umumnya ANSYS CFX terdiri dari 3 bagian pengerjaan yaitu Pre, Solver dan Post. CFX-Pre mendefinisikan fluida yang akan dianalisa, mulai dari menentukan kecepatan fluida di inlet dan outlet, tekanan dan temperature fluida dan boundary condition yang diperlukan. Kemudian CFX-Solver akan menganalisa (running) semua yang telah ditetapkan di CFX-Pre dan hasilnya dapat dilihat pada CFX-Post berupa tabel, grafik maupun kontur berupa gambar lengkap dengan sebaran warnanya.
ANSYS Multiphysics
ANSYS jenis ini adalah ANSYS yang biasa digunakan untuk mengalisa model teknik. Di ANSYS ini yang dimodelkan bukan lagi fluidanya melainkan struktur pipanya. Ada 2 macam pekerjaan yang dilakukan, yaitu global analysis untuk mencari frekuensi natural pipa dan local analysis untuk menganalisa kekuatan pipa akibat beban dinamis vibrasi pipa.
Untuk mencari frekuensi natural (natural frequency), pipa dimodelkan sempurna sesuai dengan geometrinya di lapangan. Setelah model selesai, tentukanlan peletakan support dengan mendefinisikan displacement arah Y sama dengan 0 (nol), dan pada bagian kedua ujung pipa diasumsikan dijepit sehingga gaya ke segala arah adalah 0 (nol), lalu dilakukan modal analysis sehingga diperoleh output berupa mode shape dan frekuensinya.
Setalah itu dilakukan analisa dinamis vibrasi pipa. Pada dasarnya ANSYS melakukan local analysis bukan global analysis sehingga untuk analisa ini kita tidak memodelkan pipa keseluruhan tetapi hanya pada bagian kritis saja. Bagaimana pemilihan bagian yang akan dimodelkan adalah tergantung hasil output dari ANSYS CFX. Pada ANSYS CFX kita bisa melihat pada bagian mana terdapat sebaran tegangan terbesar. Bagian itulah yang kemudian kita modelkan dalam ANSYS Multiphysiscs. Setelah model selesai, seperti biasa kita lakukan meshing. Meshing sempurna dan tidak ada error, dilanjutkan dengan melakukan harmonic analysis. Pada analisa ini kita memasukkan inputan berupa nilai sebaran gaya (force) yang dihasilkan dari ANSYS CFX pada model di ANSYS Multiphysiscs. Penempatan tegangan harus sesuai lokasinya seperti output dari ANSYS CFX. Kemudian kita masukkan nilai frekuensi yang telah diperoleh sebelumnya, time step serta nilai koefisien damping. Setelah itu running!
Hasil output berupa sebaran tegangan yang biasa disebut sebagai tegangan Von Misses. Hasil tegangan ini sangat tergantung nilai frekuensi yang dimasukkan dan nilainya bisa jauh sekali jika dibandingkan dengan hasil dari ANSYS CFX. Sebagai contoh, untuk input force dari ANSYS CFX sebesar 25N (F=P*A, dari tegangan P = 15.625 Pa dengan luas sebaran A = 0,0016m2) dengan frekuensi 10Hz diperoleh hasil tegangan Von Misses pada ANSYS Multiphysics sebesar 12,5.106Pa atau 12,5 MPa.
Fluida yang mengalir di dalam pipa bisa menyebabkan pipa mengalami kegagalan. Hal ini terjadi jika tegangan yang dihasilkan oleh fluida yang diterima dinding pipa melebihi tegangan ijin dari material pipa tersebut. Apalagi jika pipa tersebut mempunyai sambungan SBC (small bore connection) maka yang menjadi batasan maksimal adalah berapa tegangan yang diijinkan terjadi pada daerah sambungan SBC. Dimana nilainya tergantung pada jenis dan tipe sambungan SBC yang mana mempunyai grafik S-N (fatigue/kelelahan) yang berbeda-beda.
Menganalisa fenomena ini bisa digunakan bantuan Finite Elemen Method (FEM) dengan bantuan piranti komputer. Ada beberapa software yang bisa digunakan untuk menyelesaikan masalah ini dan yang saya rekomendasikan adalah software ANSYS. ANSYS adalah software multi guna yang bisa digunakan untuk memodelkan dan menyelesaikan berbagai macam masalah dalam dunia industri. Untuk masalah pipa sebenarnya ada beberapa software yang bisa membantu seperti CAESAR dan AutoPipe. Namun untuk analisa dinamis akibat vibrasi karena fluida yang mengalir di dalam pipa sejauh yang saya pahami kedua software tersebut tidak mampu untuk melakukannya. CAESAR dan AutoPipa lebih pada analisa statis biasa dan analisa dinamis lebih pada analisa untuk masalah water hammer dan fluid transient.
Untuk analisa dengan bantuan ANSYS yang perlu dipersiapkan adalah 3 jenis software ANSYS yaitu ANSYS ICEM, ANSYS CFX dan ANSYS Multiphysic, semuanya tersedia dalam package ANSYS version 11.0
ANSYS ICEM
Digunakan untuk memodelkan fluida dimana model fluida sama dengan model pipa itu sendiri karena seperti yang kita ketahui bentuk fluida tergantung pada wadahnya. Jadi intinya di ANSYS ini semua geometri yang digunakan adalah geometri pipa, yaitu diameter dalam dan panjang pipa. Kita tidak memasukkan ketebalan pipa. Setelah model jadi, kemudian kita lakukan meshing. Meshing adalah bagian terpenting dalam ANSYS. Usahakan membuat ukuran meshing sekecil mungkin sehingga output hasil analisa akan semakin valid.
Untuk memudahkan pemodelan dalam ANSYS ICEM, bagi yang terbiasa menggunakan software AutoCAD kita bisa menggukannya. Modelkan di AutoCAD lalu filenya dipanggil di ANSYS ICEM. Jadi setelah memanggil file kita tinggal melakukan meshing.
ANSYS CFX
Digunakan untuk menganalisa fluida yang sudah dimodelkan dalam ANSYS ICEM. Di sini kita memanggil file model yang sudah dimeshing oleh ANSYS ICEM. ANSYS CFX bisa mengeluarkan output mulai dari pressure fluida ke segalah arah maupun resultannya, force, temperatur, sebaran kecepatan fluida, dan lain-lain. Seperti ANSYS pada umumnya ANSYS CFX terdiri dari 3 bagian pengerjaan yaitu Pre, Solver dan Post. CFX-Pre mendefinisikan fluida yang akan dianalisa, mulai dari menentukan kecepatan fluida di inlet dan outlet, tekanan dan temperature fluida dan boundary condition yang diperlukan. Kemudian CFX-Solver akan menganalisa (running) semua yang telah ditetapkan di CFX-Pre dan hasilnya dapat dilihat pada CFX-Post berupa tabel, grafik maupun kontur berupa gambar lengkap dengan sebaran warnanya.
ANSYS Multiphysics
ANSYS jenis ini adalah ANSYS yang biasa digunakan untuk mengalisa model teknik. Di ANSYS ini yang dimodelkan bukan lagi fluidanya melainkan struktur pipanya. Ada 2 macam pekerjaan yang dilakukan, yaitu global analysis untuk mencari frekuensi natural pipa dan local analysis untuk menganalisa kekuatan pipa akibat beban dinamis vibrasi pipa.
Untuk mencari frekuensi natural (natural frequency), pipa dimodelkan sempurna sesuai dengan geometrinya di lapangan. Setelah model selesai, tentukanlan peletakan support dengan mendefinisikan displacement arah Y sama dengan 0 (nol), dan pada bagian kedua ujung pipa diasumsikan dijepit sehingga gaya ke segala arah adalah 0 (nol), lalu dilakukan modal analysis sehingga diperoleh output berupa mode shape dan frekuensinya.
Setalah itu dilakukan analisa dinamis vibrasi pipa. Pada dasarnya ANSYS melakukan local analysis bukan global analysis sehingga untuk analisa ini kita tidak memodelkan pipa keseluruhan tetapi hanya pada bagian kritis saja. Bagaimana pemilihan bagian yang akan dimodelkan adalah tergantung hasil output dari ANSYS CFX. Pada ANSYS CFX kita bisa melihat pada bagian mana terdapat sebaran tegangan terbesar. Bagian itulah yang kemudian kita modelkan dalam ANSYS Multiphysiscs. Setelah model selesai, seperti biasa kita lakukan meshing. Meshing sempurna dan tidak ada error, dilanjutkan dengan melakukan harmonic analysis. Pada analisa ini kita memasukkan inputan berupa nilai sebaran gaya (force) yang dihasilkan dari ANSYS CFX pada model di ANSYS Multiphysiscs. Penempatan tegangan harus sesuai lokasinya seperti output dari ANSYS CFX. Kemudian kita masukkan nilai frekuensi yang telah diperoleh sebelumnya, time step serta nilai koefisien damping. Setelah itu running!
Hasil output berupa sebaran tegangan yang biasa disebut sebagai tegangan Von Misses. Hasil tegangan ini sangat tergantung nilai frekuensi yang dimasukkan dan nilainya bisa jauh sekali jika dibandingkan dengan hasil dari ANSYS CFX. Sebagai contoh, untuk input force dari ANSYS CFX sebesar 25N (F=P*A, dari tegangan P = 15.625 Pa dengan luas sebaran A = 0,0016m2) dengan frekuensi 10Hz diperoleh hasil tegangan Von Misses pada ANSYS Multiphysics sebesar 12,5.106Pa atau 12,5 MPa.
Minggu, 02 Agustus 2009
CACAT MATERIAL
CACAT-CACAT MATERIAL
Sebelum membahas lebih jauh tentang cacat, maka terlebih dahulu marilah kita coba mengenal dengan kristalisasi. Kristalisasi ialah proses pembentukan Kristal yang terjadi pada saat pembekuan, perubahan dari fasa cair ke fasa padat. Jika ditinjau dari mekanismenya, kristalisasi terjadi melalui 2 tahap :
1. Tahapan Nucleation (pembentukan inti)
2. Tahapan Crystal Growth (Pertumbuhan Kristal)
Nah, bagaimana hal ini dapat terjadi? Secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut :
Dalam keadaaan cair, atom-atom tidak memiliki susunan yang teratur (selalu mudah bergerak) dan mempunyai temperature yang relatip tinggi serta atom-atomnya memiliki energi yang cukup banyak sehingga mudah bergerak dan tidak ada pengaturan letak atom relatip terhadap atom lainnya.
Dengan semakin turunnya temperature maka energy atom akan semakin rendah dan semakin sulit bergerak sehingga atom-atom ini mulai mencari atau mengatur kedudukan relatip terhadap atom lainnya dan mulai membentuk lattice. Proses ini terjadi pada temperature yang relatip lebih dingin dimana sekelompok atom menyusun diri membentuk inti Kristal. Inti-inti ini akan menjadi pusat dari proses kristalisasi selanjutnya.
Dengan semakin turunnya temperature maka akan semakin banyak atom-atom yang ikut bergabung dengan inti yang sudah ada ataupun membentuk inti baru. Setiap inti akan tumbuh dengan menarik atom-atom lainnya dari cairan ataupun dari inti yang tidak sempat tumbuh, untuk mengisi tempat kosong pada lattice yang akan dibentuk. Pertumbuhan ini berlangsung dari tempat yang bersuhu dingin ke tempat yang bersuhu panas. Pertumbuhan ini tidak bergerak lurus saja tetapi mulai membentuk cabang-cabang dan ranting-ranting. Struktur ini disebut dengan struktur dendritik. Dendrit ini akan terus tumbuh ke segala arah sehingga cabang-cabang (ranting-ranting) dendrit ini hampir bersentuhan satu dengan lainnya sehingga sisa cairang yang terakhir akan membeku disela-sela dendrit ini.
Pertemuan antara satu dendrit kristal dengan lainnya dinamakan grain boundary (butir-butir kristal) yang merupakan bidang yang membatasi antara 2 kristal. Pada grain boundary ini akan terkandun unsur-unsur ikutan (impurity) yang lebih banyak dan pada grain boundary ini juga terdapat ketidakteraturan susunan atom (mismatch).
Cacat-cacat Kristal (Imperfection)
Cacat dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat dari luar. Cacat tersebut dapat berupa :
Cacat titik (point defect)
Dapat berupa :
a. Cacat kekosongan (Vacancy) yang terjadi karena tidak terisinya suatu posisi atom pada lattice.
b. Interstitial (“salah tempat”, posisi yang seharusnya kosong justru ditempati atom)
c. Substitusional (adanya atom “asing” yang menggantikan tempat yang seharusnya diisi oleh atom)
Cacat garis (line defect)
Yakni Cacat yang menimbulkan distorsi pada lattice yang berpusat pada suatu garis. Sering pula disebut dengan dislokasi. Secara umum ada 2 jenis dislokasi, yakni : edge dislocation dan screw dislocation.
Cacat bidang (interfacial defect)
Ialah batasan antara 2 buah dimensi dan umumnya memisahkan daerah dari material yang mempunyai struktur kristal berbeda dan atau arah kristalnya berbeda, misalnya : Batas Butir (karena bagian batas butir inilah yang membeku paling akhir dan mempunyai orientasi serta arah atom yang tidak sama. Semakin banyak batas butir maka akan semakin besar peluang menghentikan dislokasi. Kemudian contoh yang berikutnya adalah Twin (Batas butir tapi special, maksudnya : antara butiran satu dengan butiran lainnya merupakan cerminan).
Cacat Ruang (Bulk defect)
Perubahan bentuk secara permanen disebut dengan Deformasi Plastis, deformasi plastis terjadi dengan mekanisme :
a. Slip, yaitu : Perubahan dari metallic material oleh pergerakan dari luar sepanjang Kristal. Bidang slip dan arah slip terjadi pada bidang grafik dan arah atom yang paling padat karena dia butuh energi yang paling ringan atau kecil.
b. Twinning terjadi bila satu bagian dari butir berubah orientasinya sedemikian rupa sehingga susunan atom di bagian tersebut akan membentuk simetri dengan bagian kristal yang lain yang tidak mengalami twinning.
Sebelum membahas lebih jauh tentang cacat, maka terlebih dahulu marilah kita coba mengenal dengan kristalisasi. Kristalisasi ialah proses pembentukan Kristal yang terjadi pada saat pembekuan, perubahan dari fasa cair ke fasa padat. Jika ditinjau dari mekanismenya, kristalisasi terjadi melalui 2 tahap :
1. Tahapan Nucleation (pembentukan inti)
2. Tahapan Crystal Growth (Pertumbuhan Kristal)
Nah, bagaimana hal ini dapat terjadi? Secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut :
Dalam keadaaan cair, atom-atom tidak memiliki susunan yang teratur (selalu mudah bergerak) dan mempunyai temperature yang relatip tinggi serta atom-atomnya memiliki energi yang cukup banyak sehingga mudah bergerak dan tidak ada pengaturan letak atom relatip terhadap atom lainnya.
Dengan semakin turunnya temperature maka energy atom akan semakin rendah dan semakin sulit bergerak sehingga atom-atom ini mulai mencari atau mengatur kedudukan relatip terhadap atom lainnya dan mulai membentuk lattice. Proses ini terjadi pada temperature yang relatip lebih dingin dimana sekelompok atom menyusun diri membentuk inti Kristal. Inti-inti ini akan menjadi pusat dari proses kristalisasi selanjutnya.
Dengan semakin turunnya temperature maka akan semakin banyak atom-atom yang ikut bergabung dengan inti yang sudah ada ataupun membentuk inti baru. Setiap inti akan tumbuh dengan menarik atom-atom lainnya dari cairan ataupun dari inti yang tidak sempat tumbuh, untuk mengisi tempat kosong pada lattice yang akan dibentuk. Pertumbuhan ini berlangsung dari tempat yang bersuhu dingin ke tempat yang bersuhu panas. Pertumbuhan ini tidak bergerak lurus saja tetapi mulai membentuk cabang-cabang dan ranting-ranting. Struktur ini disebut dengan struktur dendritik. Dendrit ini akan terus tumbuh ke segala arah sehingga cabang-cabang (ranting-ranting) dendrit ini hampir bersentuhan satu dengan lainnya sehingga sisa cairang yang terakhir akan membeku disela-sela dendrit ini.
Pertemuan antara satu dendrit kristal dengan lainnya dinamakan grain boundary (butir-butir kristal) yang merupakan bidang yang membatasi antara 2 kristal. Pada grain boundary ini akan terkandun unsur-unsur ikutan (impurity) yang lebih banyak dan pada grain boundary ini juga terdapat ketidakteraturan susunan atom (mismatch).
Cacat-cacat Kristal (Imperfection)
Cacat dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat dari luar. Cacat tersebut dapat berupa :
Cacat titik (point defect)
Dapat berupa :
a. Cacat kekosongan (Vacancy) yang terjadi karena tidak terisinya suatu posisi atom pada lattice.
b. Interstitial (“salah tempat”, posisi yang seharusnya kosong justru ditempati atom)
c. Substitusional (adanya atom “asing” yang menggantikan tempat yang seharusnya diisi oleh atom)
Cacat garis (line defect)
Yakni Cacat yang menimbulkan distorsi pada lattice yang berpusat pada suatu garis. Sering pula disebut dengan dislokasi. Secara umum ada 2 jenis dislokasi, yakni : edge dislocation dan screw dislocation.
Cacat bidang (interfacial defect)
Ialah batasan antara 2 buah dimensi dan umumnya memisahkan daerah dari material yang mempunyai struktur kristal berbeda dan atau arah kristalnya berbeda, misalnya : Batas Butir (karena bagian batas butir inilah yang membeku paling akhir dan mempunyai orientasi serta arah atom yang tidak sama. Semakin banyak batas butir maka akan semakin besar peluang menghentikan dislokasi. Kemudian contoh yang berikutnya adalah Twin (Batas butir tapi special, maksudnya : antara butiran satu dengan butiran lainnya merupakan cerminan).
Cacat Ruang (Bulk defect)
Perubahan bentuk secara permanen disebut dengan Deformasi Plastis, deformasi plastis terjadi dengan mekanisme :
a. Slip, yaitu : Perubahan dari metallic material oleh pergerakan dari luar sepanjang Kristal. Bidang slip dan arah slip terjadi pada bidang grafik dan arah atom yang paling padat karena dia butuh energi yang paling ringan atau kecil.
b. Twinning terjadi bila satu bagian dari butir berubah orientasinya sedemikian rupa sehingga susunan atom di bagian tersebut akan membentuk simetri dengan bagian kristal yang lain yang tidak mengalami twinning.
Langganan:
Postingan (Atom)